CC BY
9УДК 666.1.001.5
Petr A. Lesnikov, Evgeny I. Suzdalcev, Sergei V. Wichmann
research and development of the rotary process of producing radio-shells of highly enriched mineral quartz grit
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia "Research and Production Company" Kvarzevoe steklo ", Babushkina St., 36, bldg. 1, St. Petersburg, 192171, Russia e-mail: sio2@bk.ru
We have investigated the process of production of models' blanks of radioparent shells from mineral quartz. The physical and technical properties of the material of shells for use in radio-products for special purposes were investigated. The modes of direct fused deposition of blanks were studied. It has been shown that the complexity of the production of radioparent shells by the rotor method is significantly lower than production of similar products in the manufacture by conventional ceramic method. Besides resulting material has enhanced mechanical and physical properties in the absence of volumetric moisture absorption.
Keywords: highly enriched mineral feedstock, rotary method of fused deposition, radioparent shell, molding of product.
П.А. Лесников1, Е.И. Суздальцев2, С.В. Вихман3
отработка роторного процесса получения радиопрозрачных оболочек из
высокообогащенной
минеральной кварцевой крупки
Санкт-Петербургский государственный технологический
институт (технический университет), Московский пр. 26,
Санкт-Петербург, 190013, Россия
ООО НПФ «Кварцевое стекло», ул. Бабушкина, д. 36,
корп. 1, Санкт-Петербург, 192171, Россия
е-таИ: sio2@bk.ru
В работе исследовался процесс получения заготовок макетов радиопрозрачных оболочек из высокообогащенного минерального кварца. Исследовались физико-технические свойства материала оболочек, предназначенных для использования в радиопрозрачных изделиях специального назначения. Проведена работа по исследованию режимов прямого наплава заготовок. Показано, что трудоемкость при изготовлении радиопрозрачных оболочек методом роторного процесса существенно ниже, чем при изготовлении аналогичных изделий традиционным керамическим способом. При этом полученный материал обладает повышенными физико-механическими свойствами при отсутствии объемного влагопоглощения.
Ключевые слова: высокообогащенное минеральное сырье, роторный метод наплава, радиопрозрачная оболочка, формовка изделия.
Введение
Технология производства изделий из кварцевого стекла существенно отличается от методов варки и выработки промышленных многокомпонентных стекол, что обусловлено целым рядом причин - высокая температура плавления кремнезема, исключительная вязкость и агрессивность расплава к огнеупорным материалам, а также заметное испарение расплава при температуре свыше 1800 °С.
Эти обстоятельства заставляют применять для получения изделий из кварцевого стекла специально подготовленное и обогащенное сырье, специальные методы плавки, связанные с вакуумом и повышенным давлением, использовать высокотемпературные электрические и газовые печи сложной конструкции, но сравнительно небольшого объема, а формование изделий осуществляется способами и машинами, рассчитанными на создание больших усилий в очень короткий промежуток времени.
В настоящее время для получения крупногабаритных изделий из кварцевого стекла используют золь-гель технологию, по которой керамическим методом из аморфного порошка кварцевого стекла, полученного методами плавки кристаллического сырья, получают суспензию. Из полученной таким способом суспензии отливают в гипсовые формы детали различных размеров. После сушки и обжига при температуре 1200-1250 °С получают готовые изделия с общей пористостью 7-20 %. Такой способ является трудоемким и требует использования на всех стадиях сложных устройств и механизмов. [1, 2].
С развитием науки и техники широкое распространение получил высокотемпературный роторный метод получения изделий из кварцевого стекла непосредственно из исходного кристаллического сырья - кварца.
Прямое наплавление изделий из кварцевого стекла, с использованием высокотемпературных источников нагрева (низкотемпературная плазма, печи сопротивления с графитовой, вольфрамовой и молибденовой оснас-
1 Лесников Петр Александрович, аспирант каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, ген. директор ООО НПФ «Кварцевое стекло», e-mail: sio2@bk.ru
Petr A. Lesnikov Postgraduate student, Department of chemical technology of refractory non-metal and silicate materials
2 Суздальцев Евгений Иванович, д-р техн. наук, зав. лабораторией АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина. Киевское шоссе, 15, г. Обнинск, КалУжская обл., 249031, Российская Федерация
Evgeny I. Suzdalcev, Dr Sci. (Eng.), Head of the laboratory, ORPE "Technologiya" named after A.G. Kievskoe r., s. Obninsk, Kaluzhskaya reg., 249031, Russia
3 Вихман Сергей Валериевич, доцент, канд. техн. наук, каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов Sergei V. Wichmann, Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemical technology of refractory non-metal and silicate materials
Дата поступления - 2 сентября 2015 года Received September, 02 2015
ткой), существенно сокращают трудозатраты и время изготовления изделий из кварцевого стекла, повышая при этом производительность и качество получаемых изделий. Основной особенностью полученных таким способом изделий является: отсутствие открытых пор, более высокая механическая прочность по сравнению с изделиями из кварцевой керамики. [3].
Новое направление в технологии получения оболочек и тиглей было запатентовано фирмой «Heraeus» в 1980 г. Фирма запатентовала способ и устройство для изготовления изделий (тиглей) из кварцевого стекла.
Способ заключается в том, что тонкоизмельчен-ные частицы кристаллического кварца или аморфного кварцевого стекла непрерывно или периодически вводят в пустотелую форму, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Форму изготавливают из материала, не реагирующего с нагретыми частицами кварца, тонкоизмельчен-ные частицы кварца оседают на стенках и дне пустотелой формы в виде слоя. Последний расплавляется только частично по толщине слоя, путем подвода тепла изнутри. Изделие (тигель) извлекают из формы после его охлаждения. Способ отличается тем, что применяют пустотелую форму с газопроницаемыми стенками и дном. После начала плавления, а также в процессе плавления на наружной стороне формы поддерживают давление меньше 5000 Па. Фирма рекламировала этот способ как новый принципиально отличный способ формования изделий с улучшенными качествами.
В развитие предыдущей технологии фирмой «Heraeus» в 1983 г. был получен патент на способ и аппаратуру для получения прозрачных, с низким содержанием пузырьков изделий из прозрачного диоксида кремния. При этом способе сырье вводится в виде гранул либо порошка кристаллического кварца, аморфного, прозрачного диоксида кремния или кварцевого песка, расплавляется в тигле с помощью электрического нагрева в вакууме. При данном способе сырье нагревается сверху в тигле, поток тепла направлен обычно сверху к основанию тигля. Тигель выполнен из графитовых плит. Внутренняя поверхность тигля защищается тонкими пластинами, изготовленными из очень чистого графита. [4]
В патенте РФ № 2336234 от 2006 г. изложен более современный и менее энергоемкий способ получения изделий из кварцевого стекла, например, тиглей, в роторной печи. Наплав осуществляется с помощью привязанной электрической дуги между двумя электродами, путем перемещения электродов относительно друг друга и каждого из них к обрабатываемой поверхности. Достижение заданного геометрического размера осуществляется регулированием количества поглощаемой тепловой энергии единицей площади обрабатываемой поверхности за счет изменения скорости перемещения электродов относительно обрабатываемой поверхности и изменением мощности электрической дуги. [5]
Таким образом, метод прямого наплава (с использованием исходного кристаллического кварца) конкретных изделий из кварцевого стекла является новым и перспективным, т.к. позволяет получить материал с заданными свойствами при сохранении высокой термостойкости и низкой, но закрытой пористостью, тем самым увеличивая влагостойкость готового изделия в процессе эксплуатации.
Экспериментальная часть
Целью настоящей работы является отработка технологического режима получения радиопрозрачных заготовок заданной формы методом прямого наплава из высокообогащенного минерального кварцевого сырья. В данной работе описывается роторный процесс получения радиопрозрачных оболочек из высокообогащенной минеральной кварцевой крупки. Для отработки технологии прямого наплава радиопрозрачных изделий использовалась роторная установка, обеспечивающая получение конусных изделий с диаметром основания до 350 мм
при высоте конуса до 500 мм. В качестве технологического приема получения заготовок и макетов использован метод электродугового наплава. Установлено, что с точки зрения производительности, экономичности и трудоемкости при получении габаритных заготовок и макетов данный метод обеспечивает получение, как плоских образцов, так и деталей сложной формы.
Рабочая крупка высокообогащенного диоксида кремния с чистотой по основному компоненту SiO2 > 99,999 % вес. засыпается в графитовую оснастку слоем, обеспечивающим заданную толщину стенки заготовки, а именно 15-20 мм. После засыпки крупки, во внутреннюю полость графитовой формы вводят вакуумный нож, которым удаляют излишки материала. После формовки внутренней поверхности оболочки плавильная емкость переводится в позицию «плавка», где осуществляется плавление оболочки дугой переменного тока, либо дугой постоянного тока (рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Процесс наплава оболочки из природного кристаллического кварца способом электродугового наплава на установке С - 3635
Рисунок 2.Заготовка макета после наплава во время охлаждения
При температуре в дуге более 3000 °С происходит плавление кристаллической крупки кварца с образованием расплава кварцевого стекла. Процесс плавления прекращается после набора достаточной, контролируемой толщины заготовки. После достижения заданной вольт-амперной характеристики электрической дуги электроды опускаются к калиброванной емкости из наплавляемой крупки на задан-
ную глубину. Время плавления заготовки зависит от диаметра оболочки, толщины стенки. Для достижения заданной толщины стенки нами были проведены предварительные эксперименты по ее наплавлению, при выбранных энерге-
тических параметрах процесса варьировали время наплав-ления в интервале от 3 до 12 минут. Было установлено оптимальное время наплавления стенки толщиной 8 мм - 9-10 мин. Схема установки приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема установки для наплава радиопрозрачных изделий из минерального кварцевого сырья
Технологический процесс получения изделий из кварцевого стекла прямым наплавом из кристаллического кремнезема имеет существенные преимущества перед другими методами изготовления изделий, а именно:
- более низкий расход энергоресурсов, так как в технологической цепочке исключены процессы наплава исходного кварцевого стекла, сушки сырца и обжига изделия;
- низкая закрытая общая пористость изделий не превышающая 5-6 %;
- высокая, по сравнению с керамикой, механическая прочность изделий, которая увеличивается вплоть до температуры 1000 °С;
- отсутствие влагопоглощения изделиями, так как отсутствует открытая пористость;
- более высокая, по сравнению с керамикой, эрозионная стойкость и электропрочность;
- существенное сокращение технологических переделов;
- сокращение производственных площадей и количества единиц оборудования;
- сокращение трудозатрат.
Однако имеются и недостатки прямого наплава изделий из кварцевого стекла:
- ограниченность изготовления изделий сложной объемной формы;
- высокая вязкость расплава требует использования источников энергии, позволяющих в ограниченном объеме создавать температуру выше 2000 °С;
- использование электродов не взаимодействующих ни с расплавом кремнезема ни с его парами. Обычно в качестве электродов используют вольфрам, молибден или высокочистый графит.
Таким образом, получение роторным способом радиопрозрачных оболочек имеет ряд существенных преимуществ перед существующей керамической технологией. Это, конечно, в первую очередь отсутствие ряда технологических процессов (плавка исходного стекла, получение суспензии для шликерного литья, отливка изделия, сушка изделия, обжиг), что в свою очередь снижает как энергозатраты, так и исключает использование большого количества оборудования, производственных площадей (участок плавки кварцевого стекла, помольное помещение, гипсовый участок, участок сушки и обжига изделий) и значительное сокра-
щение трудозатрат. Кроме того, значительно сокращается время получения изделий. Технологический цикл получения изделия керамическим способом занимает около 120 ч, против 1 ч при роторном способе. Отсутствие ряда технологических операций увеличивает и выход годных изделий.
В результате выполнения работы были наплавлены заготовки (рисунок 4), из которых в дальнейшем вырезались образцы заданных размеров для исследования физико-технических свойств материала. Макеты радиопрозрачных оболочек, представлены на рисунке 5.
Рисунок 4. Заготовки стекла, наплавленные из природного кварца для исследования физико-технических свойств материала
Рисунок 5. Макеты оболочек из высокообогащенного природного кварца до механической обработки
Проведены испытания образцов по действующим методикам. Результаты представлены в таблице.
Таблица. Физико-технические свойства стеклообразного материала SiO2
Наименование параметра Ед. измерения Требования Полученные данные, методика
Предел прочности при статическом изгибе, аизг при 20-1100 °С МПа > 60 77,3 - 132,0-ПМ 596.1552-2003
Статический модуль упругости, Ест, при 20 °С МПа - 61,58 ПМ 596.180-2003
Ударная вязкость кДж/ м2 - 1,5±0,3 ПМ 596.360-2003
Плотность г/см3 - 2,20 ГОСТ 2409-95 ПМ 596.364-2003
Пористость % < 5 0,03 ГОСТ 2409-95
Диэлектрическая проницаемость при температуре 20 °С при f = 10 ГГц - 3,45-3,65 3,50 - 3,60 ГОСТ Р 8.623-2006
Увеличение диэлектрической прони-цаемости в интервале температур (20-1200) °С при f = 10 ГГц % - 1,72 ПМ 596.1549-2003
Тангенс угла диэлектрических потерь в интервале температур (20-1200) °С при f = 10 ГГц - < 100х10-4 1х10-4 - 89х10-4 ПМ 596.1549-2003
Коэффициент черноты % - 2,5
Коэффициент черноты с покрытием % - 76,3
Температурный коэффициент линейного расширения, а107К-1, в интервале температур 20-1000 °С - - 5 - 9 ГОСТ 10978-83
Удельная теплоемкость, в интервале температур (20-1100) °С кДж/ (кгхК) - 0,74 - 1,23 ПМ 596.1568-2003
Коэффициент температу-ропроводнос-ти, в интервале температур (20-1100) °С мм2/с - 0,79 - 0,65 ПМ 596.1701-2010
Коэффициент теплопроводности, 1, в интервале температур (20-1100) °С Вт/ (мхК) - 1,27 - 1,75 ПМ 596.1701-2010
Фазовый состав - Аморфная фаза. Кристо-балит и кварц отсутствуют. Рентгено-фазовый анализ.
Выводы:
Отработана технология наплава макетов с использованием графитовой оснастки. Получены макеты радиопрозрачных оболочек.
Исследованы физико-технические свойства материала макетных образцов на соответствие требованиям, предъявляемым к радиопрозрачным изделиям.
Литература
1. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. М., Металлургия, 1974, 264 с.
2. Ботвинкин О.К., Запорожский А.И. Кварцевое стекло. М., Стройиздат, 1965, 259 с.
3. Эванс А.Г., Лэнгдон Т.Г. Конструкционная керамика / пер. с англ. под ред. А.С. Власова. М., Металлургия, 1980, 256 с.
4. 60 Jahre Quarzglas, 25 Jahre Hochvakuumtechnik. / Ed. by W. C. Heraeus GmbH., Hanau 1961, 343 S.
5. Афанасьев В.Д., Колмогоров Ю.Г., Евдокимов Б.А., Юдин А.В., Антонов А.И., Липаков В.А. Способ получения изделий из кварцсодержащего сырья: пат. 2336234 С2 Рос. Федерация. № 2006100079/03; заявл. 11.01.2006; опубл. 20.07.2007.
